Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục cho ứng dụng xe điện
- 76 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho
động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc
trục cho ứng dụng xe điện
Học viên
NGUYỄN MẠNH HÙNG
[email protected]
Ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn: TS. Đỗ Mạnh Cường ___________
Chữ ký của GVHD
Viện: Điện
Hà Nội, 2020
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Mạnh Hùng
Đề tài luận văn: Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho động cơ nam châm
vĩnh cửu từ trường dọc trục cho ứng dụng xe điện.
Chuyên ngành: Ngành Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Mã số SV: CA190093
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 30/10/2020
với các nội dung sau:
- Chuyển đôi hình vẽ, bảng biểu trong luận văn từ tiếng Anh sang tiếng Việt.
- Diễn giải, bình luận thêm các kết quả mô phỏng trong chương 2.
- Trình bày bộ điều khiển dòng điện có loại bỏ ảnh hưởng của xen kênh.
- Giải thích hình dáng của tốc độ đặt của xe, phân tích, giải thích thêm về
kết quả mô phỏng.
- Chỉnh sửa một số lỗi chính tả, thống nhất các ký hiệu của các đại lượng.
Hà Nội, ngày tháng năm 2020
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
TS. Đỗ Mạnh Cường Nguyễn Mạnh Hùng
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
1. Giảng viên hướng dẫn: TS. Đỗ Mạnh Cường.
2. Cơ quan: Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp – Viện Điện – Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội.
3. Email: [email protected]. Điện thoại: 0904 979 399.
4. Nội dung
Đề tài chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.
Tên đề tài: Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho động cơ nam châm
vĩnh cửu từ trường dọc trục cho ứng dụng xe điện.
Hà Nội, ngày tháng năm 2020
Giáo viên hướng dẫn
TS. Đỗ Mạnh Cường
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Đỗ Mạnh Cường, người
đã hướng dẫn tôi hoàn thành chương trình thạc sĩ tại trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội.
Tôi cũng gửi lời cảm ơn tới anh Đỗ Nguyên Hưng, người đã giúp tôi trong
quá trình nghiên cứu về động cơ từ trường dọc trục nam châm vĩnh cửu.
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Đề tài: Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho động cơ nam châm vĩnh cửu từ
trường dọc trục cho ứng dụng xe điện.
Nội dung luận văn luận văn giải quyết các vấn đề sau:
Đưa ra lý do chọn đề tài, xây dựng mô hình động cơ, thiết kế bộ điều khiển
và đưa ra kết quả mô phỏng.
Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng:
Luận văn đưa ra nghiên cứu lý thuyết của đề tài và mô phỏng kiểm chứng
bằng các phần mềm:
- Phần mềm Ansys Maxwell để mô phỏng kiểm chứng thiết kế của động cơ.
- Phần mềm Matlab để mô hình hóa và mô phỏng hoạt động của bộ điều khiển
với động cơ.
Kết quả
Kết quả luận văn phù hợp với yêu cầu đặt ra và có tính khoa học đối với các
nghiên cứu khoa học trong nước. Hướng phát triển về động cơ từ trường dọc trục
nam châm vĩnh cửu còn mới, do đó có thể mở rộng và phát triển và hoàn thiện
nghiên cứ về hệ truyền động xe điện cũng như các ứng dụng khác của động cơ.
Học viên
Nguyễn Mạnh Hùng
Mục lục
MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU.............................................................................. v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ vi
Lời mở đầu ............................................................................................................. 1
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện. ............................................... 3
1.1. Sự phát triển của ô tô điện..................................................................... 3
1.2. Đặc điểm của hệ truyền động ô tô điện. ................................................ 4
1.3. Hệ truyền động xe điện. ........................................................................ 5
1.3.1. Kiểu truyền động bánh xe .............................................................. 5
1.3.2. Phương pháp điều khiển hệ truyền động. ..................................... 10
1.4. Động cơ truyền động sử dụng cho ô tô điện. ...................................... 12
1.4.1. Các yêu cầu cơ bản của động cơ sử dụng cho ô tô điện. .............. 12
1.4.2. Các loại động cơ thường sử dụng cho xe điện. ............................ 12
1.4.3. Giới thiệu động cơ AFPM cho xe điện ........................................ 16
1.5. Kết luận chương 1. .............................................................................. 18
Chương 2. Thiết kế mô hình động cơ từ trường dọc trục .................................... 19
2.1. Tính toán các thông số cần thiết cho động cơ xe điện. ....................... 19
2.2. Tính toán kích thước và thông số động cơ. ......................................... 21
2.3. Mô phỏng kiểm chứng động cơ. ......................................................... 24
2.3.1. Mô phỏng trên Ansys RMxprt...................................................... 24
2.3.2. Mô phỏng quá trình quá độ trên Ansys Maxwell. ........................ 27
2.4. Mô hình hóa động cơ AFPM............................................................... 32
2.5. Kết luận chương 2. .............................................................................. 35
Chương 3. Xây dựng hệ truyền động và tính toán bộ điều khiển. ....................... 36
3.1. Phân tích hệ truyền động của động cơ sử dụng phương pháp FOC.... 36
3.2. Tính toán bộ điều khiển....................................................................... 36
3.2.1. Tính toán vòng điều khiển dòng điện. .......................................... 37
3.2.2. Tính toán vòng điều khiển tốc độ. ................................................ 38
3.3. Bộ biến tần của hệ truyền động ........................................................... 40
3.4. Xây dựng mô phỏng trên matlab. ........................................................ 45
i
Mục lục
3.5. Kết luận chương 3. .............................................................................. 48
Chương 4. Kết quả mô phỏng .............................................................................. 49
4.1. Kết quả mô phỏng thay đổi tốc độ trên mặt đường phẳng.................. 49
4.2. Mô phỏng khi xe lên dốc. ................................................................... 52
4.3. Mô phỏng khi xe đi xuống dốc ........................................................... 56
4.4. Kết luận chương 4. .............................................................................. 60
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 61
DANH MỤC CÔNG BỐ KHOA HỌC ............................................................... 63
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................. 64
PHỤ LỤC............................................................................................................. 66
ii
Danh mục hình ảnh
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. So sánh sự khác biệt giữa đặc tính cơ động cơ điện và động cơ đốt
trong. ...................................................................................................................... 4
Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống xe điện. [6] ........................................ 5
Hình 1.3. Cấu trúc cơ bản của xe ô tô điện. ........................................................... 6
Hình 1.4. Kiểu truyền động bánh xe thông thường................................................ 7
Hình 1.5. Kiểu truyền động không hộp số. ............................................................ 7
Hình 1.6. Kiểu truyền động nối tầng. ..................................................................... 7
Hình 1.7. Kiểu truyền động động cơ trong bánh xe với hộp giảm tốc................... 8
Hình 1.8. Kiểu truyền động trực tiếp động cơ trong bánh xe. ............................... 8
Hình 1.9. Kiểu truyền động bốn động cơ trong bánh xe. ....................................... 8
Hình 1.10. Mẫu động cơ IW L1500 của Elaphe. ................................................... 9
Hình 1.11. Lắp đặt động cơ IW vào trong bánh xe của xe Audi R8. ..................... 9
Hình 1.12. Bộ điều khiển cho các động cơ trong bánh xe. .................................. 10
Hình 1.13. Các động cơ điện thường sử dụng cho EV. ....................................... 13
Hình 1.14. Một số xe điện và các động cơ được sử dụng [4]. ............................... 15
Hình 1.15. Động cơ AFPM của hãng Magnax với cấu trúc hai rotor và một stator.
.............................................................................................................................. 17
Hình 1.16. So sánh động cơ IPM của BMW i3 với động cơ AFPM của Magnax.
.............................................................................................................................. 18
Hình 2.1. Thông số mô phỏng động cơ. ............................................................... 24
Hình 2.2. Kết quả mô phỏng động cơ với tải ....................................................... 25
Hình 2.3. Khối lượng vật liệu của động cơ. ......................................................... 25
Hình 2.4. Mật độ từ trường trên động cơ. ............................................................ 26
Hình 2.5. Các thông số của động cơ. ................................................................... 26
Hình 2.6. Đáp ứng dòng điện động cơ. ................................................................ 27
Hình 2.7. Dòng điện ở thời điểm xác lập. ............................................................ 28
Hình 2.8. Đáp ứng momen của động cơ. ............................................................. 28
Hình 2.9. Momen tại thời điểm xác lập. .............................................................. 29
Hình 2.10. Đáp ứng tốc độ của động cơ............................................................... 29
Hình 2.11. Tốc độ khi xác lập. ............................................................................. 30
Hình 2.12. Phân bố từ thông trên động cơ trong quá trình quá độ t=0.1s............ 30
Hình 2.13. Phân bố từ thông khi xác lập ở t=4s. .................................................. 31
Hình 2.14. Đồ thị B-H của thép M27. .................................................................. 31
Hình 2.15. Phân bố vector từ thông trong máy. ................................................... 32
Hình 2.16. Mô hình động cơ AFPM. ................................................................... 35
Hình 3.1. Sơ đồ điều khiển theo FOC. ................................................................. 36
Hình 3.2. Các mạch vòng điều khiển động cơ. .................................................... 37
Hình 3.3. Cấu trúc mạch vòng dòng điện. ........................................................... 37
Hình 3.4. Khâu bù tách kênh để loại bỏ ảnh hưởng xen kênh của hai dòng điện.38
iii
Danh mục hình ảnh
Hình 3.5. Mạch vòng tốc độ. ............................................................................... 39
Hình 3.6. Sơ đồ nghịch lưu 3 pha với 3 cặp van bán dẫn. ................................... 41
Hình 3.7. Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh. ................................................ 42
Hình 3.8. Thuật toán xác định vector điện áp đặt trong mỗi sector. .................... 42
Hình 3.9. Vector điện áp trong sector 1. .............................................................. 43
Hình 3.10. Sơ đồ mô phỏng tổng quan. ............................................................... 45
Hình 3.11. Sơ đồ bộ Inverter. .............................................................................. 45
Hình 3.12. Sơ đồ mạch lực bộ nghịch lưu nguồn áp. .......................................... 46
Hình 3.13. Mô hình động cơ AFPM trên matlab. ................................................ 46
Hình 3.14. Sơ đồ mạch vòng điều khiển dòng điện. ............................................ 47
Hình 3.15. Mô hình tính tải khi xe hoạt động. ..................................................... 47
Hình 3.16. Khối quy đổi tốc độ xe với tốc độ góc bánh xe. ................................ 48
Hình 4.1. Tốc độ đặt của động cơ khi đi trên mặt đường phẳng. ........................ 49
Hình 4.2. Dòng điện động cơ. .............................................................................. 49
Hình 4.3. Dòng điện động cơ được phóng to....................................................... 50
Hình 4.4. Dòng điện 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 ...................................................................................... 50
Hình 4.5. Dòng điện 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 khi được phóng to. ...................................................... 50
Hình 4.6. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu nguồn áp. .............................................. 51
Hình 4.7. Đáp ứng tốc độ xe. ............................................................................... 51
Hình 4.8. Đáp ứng momen của động cơ. ............................................................. 52
Hình 4.9. Tốc độ đặt của xe. ................................................................................ 52
Hình 4.10. 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 thay đổi khi lên dốc .................................................................. 53
Hình 4.11. Đáp ứng tốc độ của xe. ...................................................................... 53
Hình 4.12. Tốc độ xe thay đổi khi xe bắt đầu lên dốc. ........................................ 54
Hình 4.13. Đáp ứng dòng điện 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 ...................................................................... 54
Hình 4.14. Dòng điện khi bắt đầu lên dốc. .......................................................... 55
Hình 4.15. Đáp ứng của momen khi xe lên dốc. ................................................. 55
Hình 4.16. Đáp ứng momen khi bắt đầu lên dốc. ................................................ 56
Hình 4.17. 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 thay đổi khi xuống dốc ............................................................. 56
Hình 4.18. Tốc độ xe khi xuống dốc.................................................................... 57
Hình 4.19. Đáp ứng tốc độ tại thời điểm xuống dốc............................................ 57
Hình 4.20. Đáp ứng dòng điện 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 khi xuống dốc. ............................................. 58
Hình 4.21. Dòng điện 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 tại thời điểm bắt đầu xuống dốc. ............................... 58
Hình 4.22. Đáp ứng momen tải khi xuống dốc. ................................................... 59
Hình 4.23. Momen tại thời điểm xuống dốc. ....................................................... 59
iv
Danh mục bảng số liệu
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1.1. Kết quả so sánh phương pháp điều khiển DTC và FOC đối với động cơ
PMSM .................................................................................................................. 11
Bảng 2.1. Thông số cần thiết về động lực học của xe.......................................... 20
Bảng 2.2. Kết quả tính của các phương trình động lực học ................................. 21
Bảng 2.3. Các thông số yêu cầu của động cơ....................................................... 23
Bảng 2.4. Thông số được tính toán của động cơ.................................................. 24
Bảng 3.1. Bảng tổng hợp ma trận 𝑨𝑨𝑛𝑛𝑛𝑛 ............................................................... 44
Bảng 3.2. Hệ số điều chế cho nhóm nhánh van của mạch nghịch lưu. ................ 44
v
Danh mục từ viết tắt
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
TỪ VIẾT
DIỄN GIẢI NGHĨA TIẾNG VIỆT
TẮT
Axial Flux Permanent Magnet (Động cơ) nam châm vĩnh
AFPM
(motor) cửu từ trường dọc trục
EV Electric Vehicle Xe điện
AC Alternative Current Dòng điện xoay chiều
DC Direct Current Dòng điện một chiều
Động cơ nam châm vĩnh cửu
IPM Interior Permanent Magnet
cực chìm
Permanent Magnet Động cơ đồng bộ nam châm
PMSM
Synchronous Motor vĩnh cửu
FOC Field Oriented Control Điều khiển tựa từ thông
DTC Direct Torque Control Điều khiển trực tiếp momen
PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung
SVM Space Vector Modulation Điều chế vector không gian
IWM In-Wheel Motor Động cơ đặt trong bánh xe
vi
Lời mở đầu
Lời mở đầu
1. Lý do chọn đề tài.
Sau một thời gian dài với sự thống lĩnh của các động cơ đốt trong sử dụng
trong lĩnh vực giao thông cá nhân, xe điện giờ đây đang trên đà phát triển nhanh
chóng ở cả các thị trường xe đã phát triển và đang phát triển. Việc áp dụng xe điện
trên diện rộng có thể mang lại những thay đổi đáng kể về công nghệ mà còn giảm
sự phụ thuộc về nguồn nhiên liệu dầu mỏ và giảm thiểu được sự tác động xấu tới
môi trường. Bên cạnh đó, động cơ điện còn có nhưng ưu điểm vượt trội về khả
năng điều khiển, cho phép chúng ta sử dụng được các phương pháp điều khiển tiên
tiến để điều khiển động cơ, qua đó nâng cao chất lượng động học của động cơ.
Ngoài ra, động cơ điện cho đáp ứng động học nhanh chóng và momen xoắn cao.
Đã có nhiều nghiên cứu về động cơ điện phù hợp cho xe điện ở Việt Nam
cũng như thế giới. Tuy nhiên nghiên cứu hệ truyền động dùng động cơ từ trường
dọc trục nam châm vĩnh cửu còn chưa phổ biến trên thế giới và Việt Nam. Mục
tiêu của luận văn là thiết kế một hệ truyền động cho một chiếc động cơ điện có thể
tích hợp được vào trong bánh xe (được gọi là động cơ in-wheel) mà không cần sử
dụng hộp số. Bốn động cơ đặt trong bốn bánh xe cho phép các bánh xe được điều
khiển một cách độc lập và dẫn tới khả năng truyền động linh hoạt.
2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.
Trong những năm gần đây, các nghiên cứu đang chú ý tới phương tiện chạy
bằng điện. Đã có nhiều nghiên cứu về động cơ điện phù hợp cho xe điện ở Việt
Nam cũng như thế giới. Tuy nhiên nghiên cứu hệ truyền động dùng động cơ từ
thông dọc trục nam châm vĩnh cửu còn chưa phổ biến trên thế giới và Việt Nam.
Một số nghiên cứu và sản phẩm trên thị trường đã được công bố:
- Công ty Magnax của Bỉ đã ra mắt các sản phẩm động cơ từ trường dọc
trục với kích thước nhỏ và mật độ công suất cao. Chi tiết được giới thiệu
trong Chương 1.
1
Lời mở đầu
- Công ty Elaphe đã ra mắt các mẫu động cơ in – wheel và đã thử nghiệm
thực tế và cho kết quả đáng mong đợi. Chi tiết được giới thiệu trong
Chương 1.
3. Mục tiêu, phạm vi nghiên cứu.
Mục tiêu của đề tài là tìm hiều nghiên cứu về động cơ từ trường dọc trục
nam châm vĩnh cửu, thiết kế một động cơ phù hợp, và mô phỏng kiểm chứng thiết
kế và mô phỏng quá trình điều khiển động cơ.
Phạm vi đề tài là thực hiện nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng kiểm chứng
hoạt động của bộ điều khiển, tạo tiền đề cho ứng dụng thực tế sau này.
4. Nội dung luận văn
Luận vận có các nội dung chính dưới đây.
Chương 1 trình bày về những vấn đề tổng quan về hệ truyền động cho ô tô
điện, các loại động cơ thường sử dụng cho ô tô điện và so sánh với động cơ AFPM.
Chương 2 trình bày quá trình thiết kế động cơ AFPM phù hợp cho ứng
dụng xe điện. Từ các yêu cầu kỹ thuật, động cơ AFPM được tính toán và mô phỏng.
Chương 3 trình bày việc mô hình bộ điều khiển theo phương pháp FOC
của hệ truyền động với việc tính toán các mạch vòng điều khiển.
Chương 4 Trình bày các kết quả mô phỏng đạt được trong luận văn.
2
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện.
1.1. Sự phát triển của ô tô điện.
Xe ô tô điện không phải là phát minh của thời hiện đại, ô tô điện đã có một
lịch sử lâu đời: [1]
• 1828-1835: Ô tô điện cỡ nhỏ đầu tiên được các nhà phát minh của
Hungary, Hà Lan và Mỹ đã nghĩ đến việc chế tạo ô tô điện cơ nhỏ đầu
tiên.
• 1832: Ô tô điện thô đầu tiên được phát triển bởi Robert Anderson.
• 1889-1891: Ô tô điện đầu tiên xuất hiên ở Mỹ được chế tạo bởi William
Morrison.
• 1889: Ô tô điện được ưa chuộng hơn so với ô tô chạy bằng khí đốt và
hơi nước.
• 1900-1912: Ô tô điện chiếm khoảng 1/3 tổng số phương tiện lưu thông
trên đường ở Mỹ.
• 1901: Edison sử dụng pin cho ô tô điện.
• 1901: Ô tô điện hybrid đầu tiên trên thế giới được phát minh bởi
Ferdinand Porsche.
• 1908-1912: Ô tô Model T được sản xuất hàng loạt và là một cú đánh
mạnh vào ô tô điện.
• 1920-1935: Việc phát hiện ra dầu thô giá rẻ của Texas làm giảm số
lượng xe điện. Đến năm 1935, xe điện biên mất hoàn toàn.
• 1968-1973: Giá xăng tăng cao, làm sự quan tâm hướng trở lại xe điện.
• 1973: Nhiều nhà sản xuất ô tô lớn và nhỏ bắt đầu khám phá các phương
tiện sử dụng nhiên liệu thay thế.
• 1979: Sở thích về ô tô điện mất dần do các mặt hạn chế so với xe chạy
xăng.
• 1979-2006: Các nghiên cứu ô điện được quan tâm.
• 2006: Tesla Motors, một công ty khởi nghiệp ở thung lũng Silicon bắt
đầu ra mắt xe ô tô điện.
3
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
• Các năm sau đó, các nhà sản xuất xe đã cho ra đời nhiều mẫu xe điện
của mình.
• Chi phí pin của xe điện dần giảm.
• 2014: Người tiêu dùng có nhiều sự lựa chọn khi mua một chiếc xe điện
như là hybrid, plug-in hybrid và chạy điện hoàn toàn.
• Hiện nay các nhà sản xuất ô tô đã hướng tới những chiếc xe điện của họ
từ nay đến năm 2030.
1.2. Đặc điểm của hệ truyền động ô tô điện.
Ô tô điện sử dụng động cơ điện để truyền động thay cho động cơ đốt
trong. Điều này khiến cho hệ truyền động ô tô điện có những ưu thế so với ô tô
chạy nhiên liệu xăng dầu như sau. [1]
• Khả năng đáp ứng mômen nhanh và chính xác: Động cơ điện có khả
năng đáp ứng mômen nhanh gấp khoảng 100 lần so với động cơ đốt
trong. Đặc tính cơ đặc trưng của động cơ đốt trong (ICE) và động cơ
điện sử dụng cho ô tô điện được minh họa trên Hình 1.1. Động cơ đốt
trong cần kết hợp với việc chuyển số để có thể hoạt động trên một dải
tốc độ và mômen rộng (các họ đường đặc tính màu xanh của ICE như
trên hình vẽ); trong khi đó động cơ điện có thể hoạt động trên toàn dải.
Hình 1.1. So sánh sự khác biệt giữa đặc tính cơ động cơ điện và động cơ đốt trong.
4
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
• Có thể sử dụng hai hay bốn động cơ in–wheel lắp trong mỗi bánh
xe: Ô tô thông thường chỉ có một động cơ đốt trong, động cơ được nối
với cầu chủ động (cầu trước, cầu sau hoặc hai cầu) qua trục các–đăng
và phân chia mômen cho mỗi bánh xe bằng bộ vi sai. Thay vào đó, động
cơ điện có thể được tích hợp bên trong các bánh xe (gọi là động cơ in–
wheel), do vậy một chiếc ô tô điện có thể có một, hai hoặc bốn động cơ
truyền động. Điều này đem lại khả năng điều khiển mômen trên từng
bánh xe, từ đó tăng số bậc tự do cho điều khiển chuyển động ô tô điện.
• Có thể tính toán dễ dàng và chính xác mômen của động cơ điện:
Khác với động cơ đốt trong, ta có thể tính toán, ước lượng một cách
chính xác và dễ dàng mômen điện từ của động cơ điện bằng cách đo các
thông số về dòng điện và điện áp của động cơ. Ước lượng được mômen
sẽ giúp ta điều khiển chính xác mômen do động cơ sinh ra, từ đó tính
toán và điều khiển chính xác lực tác động giữa mặt đường và bánh xe,
điều mà rất khó thực hiện đối với động cơ đốt trong.
1.3. Hệ truyền động xe điện.
1.3.1. Kiểu truyền động bánh xe
Một hệ thống cơ bản của ô tô điện trong hình 1.2.
Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống xe điện. [6]
5
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
Các thành phần chính của một chiếc ô tô chạy hoàn toàn bằng điện:
• Pin phụ trợ: Cung cấp năng lượng cho các phụ kiện của xe.
• Cổng sạc: Dùng để kết nối với nguồn điện bên ngoài với pin.
• Bộ chuyển đổi DC/DC: Thiết bị này để chuyển đổi nguồn DC từ bộ pin
để chạy các phụ kiện của pin hoặc sạc cho các pin phụ.
• Động cơ điện: Sử dụng năng lượng từ pin để kéo xe.
• Bộ sạc: Dùng để chuyển đổi nguồn AC hoặc DC từ các trạm sạc để sạc
pin.
• Hệ thống làm mát: Duy trì nhiệt độ hoạt động của hệ thống ở mức thích
hợp.
• Bộ pin: Cung cấp nguồn năng lượng cho động cơ điện.
• Bộ DC/AC Converter: Chuyển đổi điện DC từ pin thành AC cung cấp
cho động cơ điện.
• Các thành phần truyền động: truyền lực kéo từ động cơ để truyền
động tới các bánh xe.
Sơ đồ năng lượng cơ bản của xe trong hình 1.3.
Hình 1.3. Cấu trúc cơ bản của xe ô tô điện.
Bộ chuyển đổi DC – DC sẽ cung cấp điện từ pin tới các phụ kiện điện hoặc
pin phụ cho xe. Bộ truyền động của xe sẽ biến đổi điện từ pin để điều khiển động
cơ điện. các thành phần truyền động sẽ truyền cơ năng từ động cơ điện tới thanh
truyền động tới các bánh xe và làm xe di chuyển.
6
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
Các kiểu truyền động cơ bản của động cơ với bánh xe:
• Kiểu truyền động thông thường:
Hình 1.4. Kiểu truyền động bánh xe thông thường.
• Kiểu truyền động không hộp số:
Hình 1.5. Kiểu truyền động không hộp số.
• Kiểu truyền động nối tầng: Bộ truyền động được đơn giản hóa, loại bỏ
đi bộ vi sai. Hai động cơ được lắp trên thân xe và có các khớp nối để
truyền lực tới bánh xe. Loại này được coi là truyền động trực tiếp.
Hình 1.6. Kiểu truyền động nối tầng.
7
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
• Kiểu truyền động động cơ trong bánh xe với hộp giảm tốc: Đây là
một kiểu truyền động được đơn giản hóa. Hai động cơ được cố định vào
mặt bánh xe với các bánh rang giảm tốc để dẫn động bánh xe.
Hình 1.7. Kiểu truyền động động cơ trong bánh xe với hộp giảm tốc.
• Kiểu truyền động trực tiếp động cơ trong bánh xe: Cấu trúc này sử
dụng động cơ đặt trong bánh xe nhưng không sử dụng hộp số mà truyền
động trực tiếp.
Hình 1.8. Kiểu truyền động trực tiếp động cơ trong bánh xe.
• Kiểu truyền động bốn động cơ trong bánh xe: Bốn động cơ trong bánh
xe được sử dụng để truyền động trực tiếp. có hệ thống lái trợ lực
Hình 1.9. Kiểu truyền động bốn động cơ trong bánh xe.
8
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
Trong luận này, kiểu truyền động bốn động cơ trong bánh xe được lựa chọn,
bởi có thể giảm thiểu được các tổn thất cơ khí khi dẫn động trực tiếp và tạo cho xe
chuyển động linh hoạt. Nhóm nghiên cứu của công ty Elaphe [7] đã làm việc trên
động cơ xe điện trong hơn một thập kỷ và trong những năm gần dây, họ đã ra mắt
những mẫu động cơ trong bánh xe của mình.
Bộ phận nghiên cứu của Elaphe đã thay thế động cơ và các thiết bị điện tử
công suất của chiếc xe Audi R8 bằng bốn động cơ IW mẫu L1500 trong hình 1.10
với tổng momen xoắn 6.000Nm và công suất cực đại 440kW. Các thiết bị điện tử
công suất, điều khiển và động cơ thay thế vào chiếc Audi R8 đều được Elaphe sản
xuất. Cấu hình của Elaphe đặt các động cơ và từng bánh xe và loại bỏ các hộp số
trên từng bánh xe. Các động cơ này rất nhỏ, toàn bộ động cơ chỉ dày 2cm và rộng
6cm.
Hình 1.10. Mẫu động cơ IW L1500 của Elaphe.
Cấu hình thay thế động cơ trong ảnh 1.11.
Hình 1.11. Lắp đặt động cơ IW vào trong bánh xe của xe Audi R8.
9
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
Việc cài đặt trong xe Audi R8 thậm chí còn chưa được điều chỉnh hoàn toàn
nhưng đã đặt ra hiệu xuất ấn tượng so với phiên bản gốc. So sánh với mẫu R8 e-
tron của Audi, vốn đã đạt 0-100km/h trong 3.9 giây. Phiên bản của Elaphe đã đạt
được 0-100km/h chỉ trong 3.5 giây.
Cấu trúc điều khiển năng lượng của cho 4 động cơ IW trong hình 1.12. Bốn
động cơ IW được điều khiển bằng bốn Inverter.
Hình 1.12. Bộ điều khiển cho các động cơ trong bánh xe.
1.3.2. Phương pháp điều khiển hệ truyền động.
Hai phương pháp điều khiển hệ truyền động thường được sử dụng là DTC
và FOC.
- DTC: là phương pháp điều khiển trực tiếp momen xoắn của động cơ.
Tư tưởng của phương pháp là tạo xung kích thích van trực tiếp dựa trên
sai lệch từ thông Stator và sai lệch momen quay. DTC sử dụng dải trễ
để điều khiển trực tiếp từ thông và momen của máy điện. Khi từ thông
Stator ở ngoài dải trễ, vector chuyển mạch sẽ thay đổi để từ thông đạt
theo giá trị đặt.
- FOC: là phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor. Nguyên lý điều
khiển dựa theo phương pháp phân tách phi tuyến được sử dụng trong
điều khiển các hệ thống phi tuyến. Bản chất của phương pháp này là
điều khiển các biến đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0. Như vậy, mô
10
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho
động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc
trục cho ứng dụng xe điện
Học viên
NGUYỄN MẠNH HÙNG
[email protected]
Ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn: TS. Đỗ Mạnh Cường ___________
Chữ ký của GVHD
Viện: Điện
Hà Nội, 2020
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Mạnh Hùng
Đề tài luận văn: Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho động cơ nam châm
vĩnh cửu từ trường dọc trục cho ứng dụng xe điện.
Chuyên ngành: Ngành Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Mã số SV: CA190093
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 30/10/2020
với các nội dung sau:
- Chuyển đôi hình vẽ, bảng biểu trong luận văn từ tiếng Anh sang tiếng Việt.
- Diễn giải, bình luận thêm các kết quả mô phỏng trong chương 2.
- Trình bày bộ điều khiển dòng điện có loại bỏ ảnh hưởng của xen kênh.
- Giải thích hình dáng của tốc độ đặt của xe, phân tích, giải thích thêm về
kết quả mô phỏng.
- Chỉnh sửa một số lỗi chính tả, thống nhất các ký hiệu của các đại lượng.
Hà Nội, ngày tháng năm 2020
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
TS. Đỗ Mạnh Cường Nguyễn Mạnh Hùng
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
1. Giảng viên hướng dẫn: TS. Đỗ Mạnh Cường.
2. Cơ quan: Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp – Viện Điện – Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội.
3. Email: [email protected]. Điện thoại: 0904 979 399.
4. Nội dung
Đề tài chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.
Tên đề tài: Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho động cơ nam châm
vĩnh cửu từ trường dọc trục cho ứng dụng xe điện.
Hà Nội, ngày tháng năm 2020
Giáo viên hướng dẫn
TS. Đỗ Mạnh Cường
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Đỗ Mạnh Cường, người
đã hướng dẫn tôi hoàn thành chương trình thạc sĩ tại trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội.
Tôi cũng gửi lời cảm ơn tới anh Đỗ Nguyên Hưng, người đã giúp tôi trong
quá trình nghiên cứu về động cơ từ trường dọc trục nam châm vĩnh cửu.
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Đề tài: Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho động cơ nam châm vĩnh cửu từ
trường dọc trục cho ứng dụng xe điện.
Nội dung luận văn luận văn giải quyết các vấn đề sau:
Đưa ra lý do chọn đề tài, xây dựng mô hình động cơ, thiết kế bộ điều khiển
và đưa ra kết quả mô phỏng.
Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng:
Luận văn đưa ra nghiên cứu lý thuyết của đề tài và mô phỏng kiểm chứng
bằng các phần mềm:
- Phần mềm Ansys Maxwell để mô phỏng kiểm chứng thiết kế của động cơ.
- Phần mềm Matlab để mô hình hóa và mô phỏng hoạt động của bộ điều khiển
với động cơ.
Kết quả
Kết quả luận văn phù hợp với yêu cầu đặt ra và có tính khoa học đối với các
nghiên cứu khoa học trong nước. Hướng phát triển về động cơ từ trường dọc trục
nam châm vĩnh cửu còn mới, do đó có thể mở rộng và phát triển và hoàn thiện
nghiên cứ về hệ truyền động xe điện cũng như các ứng dụng khác của động cơ.
Học viên
Nguyễn Mạnh Hùng
Mục lục
MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU.............................................................................. v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ vi
Lời mở đầu ............................................................................................................. 1
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện. ............................................... 3
1.1. Sự phát triển của ô tô điện..................................................................... 3
1.2. Đặc điểm của hệ truyền động ô tô điện. ................................................ 4
1.3. Hệ truyền động xe điện. ........................................................................ 5
1.3.1. Kiểu truyền động bánh xe .............................................................. 5
1.3.2. Phương pháp điều khiển hệ truyền động. ..................................... 10
1.4. Động cơ truyền động sử dụng cho ô tô điện. ...................................... 12
1.4.1. Các yêu cầu cơ bản của động cơ sử dụng cho ô tô điện. .............. 12
1.4.2. Các loại động cơ thường sử dụng cho xe điện. ............................ 12
1.4.3. Giới thiệu động cơ AFPM cho xe điện ........................................ 16
1.5. Kết luận chương 1. .............................................................................. 18
Chương 2. Thiết kế mô hình động cơ từ trường dọc trục .................................... 19
2.1. Tính toán các thông số cần thiết cho động cơ xe điện. ....................... 19
2.2. Tính toán kích thước và thông số động cơ. ......................................... 21
2.3. Mô phỏng kiểm chứng động cơ. ......................................................... 24
2.3.1. Mô phỏng trên Ansys RMxprt...................................................... 24
2.3.2. Mô phỏng quá trình quá độ trên Ansys Maxwell. ........................ 27
2.4. Mô hình hóa động cơ AFPM............................................................... 32
2.5. Kết luận chương 2. .............................................................................. 35
Chương 3. Xây dựng hệ truyền động và tính toán bộ điều khiển. ....................... 36
3.1. Phân tích hệ truyền động của động cơ sử dụng phương pháp FOC.... 36
3.2. Tính toán bộ điều khiển....................................................................... 36
3.2.1. Tính toán vòng điều khiển dòng điện. .......................................... 37
3.2.2. Tính toán vòng điều khiển tốc độ. ................................................ 38
3.3. Bộ biến tần của hệ truyền động ........................................................... 40
3.4. Xây dựng mô phỏng trên matlab. ........................................................ 45
i
Mục lục
3.5. Kết luận chương 3. .............................................................................. 48
Chương 4. Kết quả mô phỏng .............................................................................. 49
4.1. Kết quả mô phỏng thay đổi tốc độ trên mặt đường phẳng.................. 49
4.2. Mô phỏng khi xe lên dốc. ................................................................... 52
4.3. Mô phỏng khi xe đi xuống dốc ........................................................... 56
4.4. Kết luận chương 4. .............................................................................. 60
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 61
DANH MỤC CÔNG BỐ KHOA HỌC ............................................................... 63
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................. 64
PHỤ LỤC............................................................................................................. 66
ii
Danh mục hình ảnh
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. So sánh sự khác biệt giữa đặc tính cơ động cơ điện và động cơ đốt
trong. ...................................................................................................................... 4
Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống xe điện. [6] ........................................ 5
Hình 1.3. Cấu trúc cơ bản của xe ô tô điện. ........................................................... 6
Hình 1.4. Kiểu truyền động bánh xe thông thường................................................ 7
Hình 1.5. Kiểu truyền động không hộp số. ............................................................ 7
Hình 1.6. Kiểu truyền động nối tầng. ..................................................................... 7
Hình 1.7. Kiểu truyền động động cơ trong bánh xe với hộp giảm tốc................... 8
Hình 1.8. Kiểu truyền động trực tiếp động cơ trong bánh xe. ............................... 8
Hình 1.9. Kiểu truyền động bốn động cơ trong bánh xe. ....................................... 8
Hình 1.10. Mẫu động cơ IW L1500 của Elaphe. ................................................... 9
Hình 1.11. Lắp đặt động cơ IW vào trong bánh xe của xe Audi R8. ..................... 9
Hình 1.12. Bộ điều khiển cho các động cơ trong bánh xe. .................................. 10
Hình 1.13. Các động cơ điện thường sử dụng cho EV. ....................................... 13
Hình 1.14. Một số xe điện và các động cơ được sử dụng [4]. ............................... 15
Hình 1.15. Động cơ AFPM của hãng Magnax với cấu trúc hai rotor và một stator.
.............................................................................................................................. 17
Hình 1.16. So sánh động cơ IPM của BMW i3 với động cơ AFPM của Magnax.
.............................................................................................................................. 18
Hình 2.1. Thông số mô phỏng động cơ. ............................................................... 24
Hình 2.2. Kết quả mô phỏng động cơ với tải ....................................................... 25
Hình 2.3. Khối lượng vật liệu của động cơ. ......................................................... 25
Hình 2.4. Mật độ từ trường trên động cơ. ............................................................ 26
Hình 2.5. Các thông số của động cơ. ................................................................... 26
Hình 2.6. Đáp ứng dòng điện động cơ. ................................................................ 27
Hình 2.7. Dòng điện ở thời điểm xác lập. ............................................................ 28
Hình 2.8. Đáp ứng momen của động cơ. ............................................................. 28
Hình 2.9. Momen tại thời điểm xác lập. .............................................................. 29
Hình 2.10. Đáp ứng tốc độ của động cơ............................................................... 29
Hình 2.11. Tốc độ khi xác lập. ............................................................................. 30
Hình 2.12. Phân bố từ thông trên động cơ trong quá trình quá độ t=0.1s............ 30
Hình 2.13. Phân bố từ thông khi xác lập ở t=4s. .................................................. 31
Hình 2.14. Đồ thị B-H của thép M27. .................................................................. 31
Hình 2.15. Phân bố vector từ thông trong máy. ................................................... 32
Hình 2.16. Mô hình động cơ AFPM. ................................................................... 35
Hình 3.1. Sơ đồ điều khiển theo FOC. ................................................................. 36
Hình 3.2. Các mạch vòng điều khiển động cơ. .................................................... 37
Hình 3.3. Cấu trúc mạch vòng dòng điện. ........................................................... 37
Hình 3.4. Khâu bù tách kênh để loại bỏ ảnh hưởng xen kênh của hai dòng điện.38
iii
Danh mục hình ảnh
Hình 3.5. Mạch vòng tốc độ. ............................................................................... 39
Hình 3.6. Sơ đồ nghịch lưu 3 pha với 3 cặp van bán dẫn. ................................... 41
Hình 3.7. Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh. ................................................ 42
Hình 3.8. Thuật toán xác định vector điện áp đặt trong mỗi sector. .................... 42
Hình 3.9. Vector điện áp trong sector 1. .............................................................. 43
Hình 3.10. Sơ đồ mô phỏng tổng quan. ............................................................... 45
Hình 3.11. Sơ đồ bộ Inverter. .............................................................................. 45
Hình 3.12. Sơ đồ mạch lực bộ nghịch lưu nguồn áp. .......................................... 46
Hình 3.13. Mô hình động cơ AFPM trên matlab. ................................................ 46
Hình 3.14. Sơ đồ mạch vòng điều khiển dòng điện. ............................................ 47
Hình 3.15. Mô hình tính tải khi xe hoạt động. ..................................................... 47
Hình 3.16. Khối quy đổi tốc độ xe với tốc độ góc bánh xe. ................................ 48
Hình 4.1. Tốc độ đặt của động cơ khi đi trên mặt đường phẳng. ........................ 49
Hình 4.2. Dòng điện động cơ. .............................................................................. 49
Hình 4.3. Dòng điện động cơ được phóng to....................................................... 50
Hình 4.4. Dòng điện 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 ...................................................................................... 50
Hình 4.5. Dòng điện 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 khi được phóng to. ...................................................... 50
Hình 4.6. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu nguồn áp. .............................................. 51
Hình 4.7. Đáp ứng tốc độ xe. ............................................................................... 51
Hình 4.8. Đáp ứng momen của động cơ. ............................................................. 52
Hình 4.9. Tốc độ đặt của xe. ................................................................................ 52
Hình 4.10. 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 thay đổi khi lên dốc .................................................................. 53
Hình 4.11. Đáp ứng tốc độ của xe. ...................................................................... 53
Hình 4.12. Tốc độ xe thay đổi khi xe bắt đầu lên dốc. ........................................ 54
Hình 4.13. Đáp ứng dòng điện 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 ...................................................................... 54
Hình 4.14. Dòng điện khi bắt đầu lên dốc. .......................................................... 55
Hình 4.15. Đáp ứng của momen khi xe lên dốc. ................................................. 55
Hình 4.16. Đáp ứng momen khi bắt đầu lên dốc. ................................................ 56
Hình 4.17. 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 thay đổi khi xuống dốc ............................................................. 56
Hình 4.18. Tốc độ xe khi xuống dốc.................................................................... 57
Hình 4.19. Đáp ứng tốc độ tại thời điểm xuống dốc............................................ 57
Hình 4.20. Đáp ứng dòng điện 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 khi xuống dốc. ............................................. 58
Hình 4.21. Dòng điện 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 tại thời điểm bắt đầu xuống dốc. ............................... 58
Hình 4.22. Đáp ứng momen tải khi xuống dốc. ................................................... 59
Hình 4.23. Momen tại thời điểm xuống dốc. ....................................................... 59
iv
Danh mục bảng số liệu
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1.1. Kết quả so sánh phương pháp điều khiển DTC và FOC đối với động cơ
PMSM .................................................................................................................. 11
Bảng 2.1. Thông số cần thiết về động lực học của xe.......................................... 20
Bảng 2.2. Kết quả tính của các phương trình động lực học ................................. 21
Bảng 2.3. Các thông số yêu cầu của động cơ....................................................... 23
Bảng 2.4. Thông số được tính toán của động cơ.................................................. 24
Bảng 3.1. Bảng tổng hợp ma trận 𝑨𝑨𝑛𝑛𝑛𝑛 ............................................................... 44
Bảng 3.2. Hệ số điều chế cho nhóm nhánh van của mạch nghịch lưu. ................ 44
v
Danh mục từ viết tắt
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
TỪ VIẾT
DIỄN GIẢI NGHĨA TIẾNG VIỆT
TẮT
Axial Flux Permanent Magnet (Động cơ) nam châm vĩnh
AFPM
(motor) cửu từ trường dọc trục
EV Electric Vehicle Xe điện
AC Alternative Current Dòng điện xoay chiều
DC Direct Current Dòng điện một chiều
Động cơ nam châm vĩnh cửu
IPM Interior Permanent Magnet
cực chìm
Permanent Magnet Động cơ đồng bộ nam châm
PMSM
Synchronous Motor vĩnh cửu
FOC Field Oriented Control Điều khiển tựa từ thông
DTC Direct Torque Control Điều khiển trực tiếp momen
PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung
SVM Space Vector Modulation Điều chế vector không gian
IWM In-Wheel Motor Động cơ đặt trong bánh xe
vi
Lời mở đầu
Lời mở đầu
1. Lý do chọn đề tài.
Sau một thời gian dài với sự thống lĩnh của các động cơ đốt trong sử dụng
trong lĩnh vực giao thông cá nhân, xe điện giờ đây đang trên đà phát triển nhanh
chóng ở cả các thị trường xe đã phát triển và đang phát triển. Việc áp dụng xe điện
trên diện rộng có thể mang lại những thay đổi đáng kể về công nghệ mà còn giảm
sự phụ thuộc về nguồn nhiên liệu dầu mỏ và giảm thiểu được sự tác động xấu tới
môi trường. Bên cạnh đó, động cơ điện còn có nhưng ưu điểm vượt trội về khả
năng điều khiển, cho phép chúng ta sử dụng được các phương pháp điều khiển tiên
tiến để điều khiển động cơ, qua đó nâng cao chất lượng động học của động cơ.
Ngoài ra, động cơ điện cho đáp ứng động học nhanh chóng và momen xoắn cao.
Đã có nhiều nghiên cứu về động cơ điện phù hợp cho xe điện ở Việt Nam
cũng như thế giới. Tuy nhiên nghiên cứu hệ truyền động dùng động cơ từ trường
dọc trục nam châm vĩnh cửu còn chưa phổ biến trên thế giới và Việt Nam. Mục
tiêu của luận văn là thiết kế một hệ truyền động cho một chiếc động cơ điện có thể
tích hợp được vào trong bánh xe (được gọi là động cơ in-wheel) mà không cần sử
dụng hộp số. Bốn động cơ đặt trong bốn bánh xe cho phép các bánh xe được điều
khiển một cách độc lập và dẫn tới khả năng truyền động linh hoạt.
2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.
Trong những năm gần đây, các nghiên cứu đang chú ý tới phương tiện chạy
bằng điện. Đã có nhiều nghiên cứu về động cơ điện phù hợp cho xe điện ở Việt
Nam cũng như thế giới. Tuy nhiên nghiên cứu hệ truyền động dùng động cơ từ
thông dọc trục nam châm vĩnh cửu còn chưa phổ biến trên thế giới và Việt Nam.
Một số nghiên cứu và sản phẩm trên thị trường đã được công bố:
- Công ty Magnax của Bỉ đã ra mắt các sản phẩm động cơ từ trường dọc
trục với kích thước nhỏ và mật độ công suất cao. Chi tiết được giới thiệu
trong Chương 1.
1
Lời mở đầu
- Công ty Elaphe đã ra mắt các mẫu động cơ in – wheel và đã thử nghiệm
thực tế và cho kết quả đáng mong đợi. Chi tiết được giới thiệu trong
Chương 1.
3. Mục tiêu, phạm vi nghiên cứu.
Mục tiêu của đề tài là tìm hiều nghiên cứu về động cơ từ trường dọc trục
nam châm vĩnh cửu, thiết kế một động cơ phù hợp, và mô phỏng kiểm chứng thiết
kế và mô phỏng quá trình điều khiển động cơ.
Phạm vi đề tài là thực hiện nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng kiểm chứng
hoạt động của bộ điều khiển, tạo tiền đề cho ứng dụng thực tế sau này.
4. Nội dung luận văn
Luận vận có các nội dung chính dưới đây.
Chương 1 trình bày về những vấn đề tổng quan về hệ truyền động cho ô tô
điện, các loại động cơ thường sử dụng cho ô tô điện và so sánh với động cơ AFPM.
Chương 2 trình bày quá trình thiết kế động cơ AFPM phù hợp cho ứng
dụng xe điện. Từ các yêu cầu kỹ thuật, động cơ AFPM được tính toán và mô phỏng.
Chương 3 trình bày việc mô hình bộ điều khiển theo phương pháp FOC
của hệ truyền động với việc tính toán các mạch vòng điều khiển.
Chương 4 Trình bày các kết quả mô phỏng đạt được trong luận văn.
2
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện.
1.1. Sự phát triển của ô tô điện.
Xe ô tô điện không phải là phát minh của thời hiện đại, ô tô điện đã có một
lịch sử lâu đời: [1]
• 1828-1835: Ô tô điện cỡ nhỏ đầu tiên được các nhà phát minh của
Hungary, Hà Lan và Mỹ đã nghĩ đến việc chế tạo ô tô điện cơ nhỏ đầu
tiên.
• 1832: Ô tô điện thô đầu tiên được phát triển bởi Robert Anderson.
• 1889-1891: Ô tô điện đầu tiên xuất hiên ở Mỹ được chế tạo bởi William
Morrison.
• 1889: Ô tô điện được ưa chuộng hơn so với ô tô chạy bằng khí đốt và
hơi nước.
• 1900-1912: Ô tô điện chiếm khoảng 1/3 tổng số phương tiện lưu thông
trên đường ở Mỹ.
• 1901: Edison sử dụng pin cho ô tô điện.
• 1901: Ô tô điện hybrid đầu tiên trên thế giới được phát minh bởi
Ferdinand Porsche.
• 1908-1912: Ô tô Model T được sản xuất hàng loạt và là một cú đánh
mạnh vào ô tô điện.
• 1920-1935: Việc phát hiện ra dầu thô giá rẻ của Texas làm giảm số
lượng xe điện. Đến năm 1935, xe điện biên mất hoàn toàn.
• 1968-1973: Giá xăng tăng cao, làm sự quan tâm hướng trở lại xe điện.
• 1973: Nhiều nhà sản xuất ô tô lớn và nhỏ bắt đầu khám phá các phương
tiện sử dụng nhiên liệu thay thế.
• 1979: Sở thích về ô tô điện mất dần do các mặt hạn chế so với xe chạy
xăng.
• 1979-2006: Các nghiên cứu ô điện được quan tâm.
• 2006: Tesla Motors, một công ty khởi nghiệp ở thung lũng Silicon bắt
đầu ra mắt xe ô tô điện.
3
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
• Các năm sau đó, các nhà sản xuất xe đã cho ra đời nhiều mẫu xe điện
của mình.
• Chi phí pin của xe điện dần giảm.
• 2014: Người tiêu dùng có nhiều sự lựa chọn khi mua một chiếc xe điện
như là hybrid, plug-in hybrid và chạy điện hoàn toàn.
• Hiện nay các nhà sản xuất ô tô đã hướng tới những chiếc xe điện của họ
từ nay đến năm 2030.
1.2. Đặc điểm của hệ truyền động ô tô điện.
Ô tô điện sử dụng động cơ điện để truyền động thay cho động cơ đốt
trong. Điều này khiến cho hệ truyền động ô tô điện có những ưu thế so với ô tô
chạy nhiên liệu xăng dầu như sau. [1]
• Khả năng đáp ứng mômen nhanh và chính xác: Động cơ điện có khả
năng đáp ứng mômen nhanh gấp khoảng 100 lần so với động cơ đốt
trong. Đặc tính cơ đặc trưng của động cơ đốt trong (ICE) và động cơ
điện sử dụng cho ô tô điện được minh họa trên Hình 1.1. Động cơ đốt
trong cần kết hợp với việc chuyển số để có thể hoạt động trên một dải
tốc độ và mômen rộng (các họ đường đặc tính màu xanh của ICE như
trên hình vẽ); trong khi đó động cơ điện có thể hoạt động trên toàn dải.
Hình 1.1. So sánh sự khác biệt giữa đặc tính cơ động cơ điện và động cơ đốt trong.
4
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
• Có thể sử dụng hai hay bốn động cơ in–wheel lắp trong mỗi bánh
xe: Ô tô thông thường chỉ có một động cơ đốt trong, động cơ được nối
với cầu chủ động (cầu trước, cầu sau hoặc hai cầu) qua trục các–đăng
và phân chia mômen cho mỗi bánh xe bằng bộ vi sai. Thay vào đó, động
cơ điện có thể được tích hợp bên trong các bánh xe (gọi là động cơ in–
wheel), do vậy một chiếc ô tô điện có thể có một, hai hoặc bốn động cơ
truyền động. Điều này đem lại khả năng điều khiển mômen trên từng
bánh xe, từ đó tăng số bậc tự do cho điều khiển chuyển động ô tô điện.
• Có thể tính toán dễ dàng và chính xác mômen của động cơ điện:
Khác với động cơ đốt trong, ta có thể tính toán, ước lượng một cách
chính xác và dễ dàng mômen điện từ của động cơ điện bằng cách đo các
thông số về dòng điện và điện áp của động cơ. Ước lượng được mômen
sẽ giúp ta điều khiển chính xác mômen do động cơ sinh ra, từ đó tính
toán và điều khiển chính xác lực tác động giữa mặt đường và bánh xe,
điều mà rất khó thực hiện đối với động cơ đốt trong.
1.3. Hệ truyền động xe điện.
1.3.1. Kiểu truyền động bánh xe
Một hệ thống cơ bản của ô tô điện trong hình 1.2.
Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống xe điện. [6]
5
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
Các thành phần chính của một chiếc ô tô chạy hoàn toàn bằng điện:
• Pin phụ trợ: Cung cấp năng lượng cho các phụ kiện của xe.
• Cổng sạc: Dùng để kết nối với nguồn điện bên ngoài với pin.
• Bộ chuyển đổi DC/DC: Thiết bị này để chuyển đổi nguồn DC từ bộ pin
để chạy các phụ kiện của pin hoặc sạc cho các pin phụ.
• Động cơ điện: Sử dụng năng lượng từ pin để kéo xe.
• Bộ sạc: Dùng để chuyển đổi nguồn AC hoặc DC từ các trạm sạc để sạc
pin.
• Hệ thống làm mát: Duy trì nhiệt độ hoạt động của hệ thống ở mức thích
hợp.
• Bộ pin: Cung cấp nguồn năng lượng cho động cơ điện.
• Bộ DC/AC Converter: Chuyển đổi điện DC từ pin thành AC cung cấp
cho động cơ điện.
• Các thành phần truyền động: truyền lực kéo từ động cơ để truyền
động tới các bánh xe.
Sơ đồ năng lượng cơ bản của xe trong hình 1.3.
Hình 1.3. Cấu trúc cơ bản của xe ô tô điện.
Bộ chuyển đổi DC – DC sẽ cung cấp điện từ pin tới các phụ kiện điện hoặc
pin phụ cho xe. Bộ truyền động của xe sẽ biến đổi điện từ pin để điều khiển động
cơ điện. các thành phần truyền động sẽ truyền cơ năng từ động cơ điện tới thanh
truyền động tới các bánh xe và làm xe di chuyển.
6
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
Các kiểu truyền động cơ bản của động cơ với bánh xe:
• Kiểu truyền động thông thường:
Hình 1.4. Kiểu truyền động bánh xe thông thường.
• Kiểu truyền động không hộp số:
Hình 1.5. Kiểu truyền động không hộp số.
• Kiểu truyền động nối tầng: Bộ truyền động được đơn giản hóa, loại bỏ
đi bộ vi sai. Hai động cơ được lắp trên thân xe và có các khớp nối để
truyền lực tới bánh xe. Loại này được coi là truyền động trực tiếp.
Hình 1.6. Kiểu truyền động nối tầng.
7
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
• Kiểu truyền động động cơ trong bánh xe với hộp giảm tốc: Đây là
một kiểu truyền động được đơn giản hóa. Hai động cơ được cố định vào
mặt bánh xe với các bánh rang giảm tốc để dẫn động bánh xe.
Hình 1.7. Kiểu truyền động động cơ trong bánh xe với hộp giảm tốc.
• Kiểu truyền động trực tiếp động cơ trong bánh xe: Cấu trúc này sử
dụng động cơ đặt trong bánh xe nhưng không sử dụng hộp số mà truyền
động trực tiếp.
Hình 1.8. Kiểu truyền động trực tiếp động cơ trong bánh xe.
• Kiểu truyền động bốn động cơ trong bánh xe: Bốn động cơ trong bánh
xe được sử dụng để truyền động trực tiếp. có hệ thống lái trợ lực
Hình 1.9. Kiểu truyền động bốn động cơ trong bánh xe.
8
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
Trong luận này, kiểu truyền động bốn động cơ trong bánh xe được lựa chọn,
bởi có thể giảm thiểu được các tổn thất cơ khí khi dẫn động trực tiếp và tạo cho xe
chuyển động linh hoạt. Nhóm nghiên cứu của công ty Elaphe [7] đã làm việc trên
động cơ xe điện trong hơn một thập kỷ và trong những năm gần dây, họ đã ra mắt
những mẫu động cơ trong bánh xe của mình.
Bộ phận nghiên cứu của Elaphe đã thay thế động cơ và các thiết bị điện tử
công suất của chiếc xe Audi R8 bằng bốn động cơ IW mẫu L1500 trong hình 1.10
với tổng momen xoắn 6.000Nm và công suất cực đại 440kW. Các thiết bị điện tử
công suất, điều khiển và động cơ thay thế vào chiếc Audi R8 đều được Elaphe sản
xuất. Cấu hình của Elaphe đặt các động cơ và từng bánh xe và loại bỏ các hộp số
trên từng bánh xe. Các động cơ này rất nhỏ, toàn bộ động cơ chỉ dày 2cm và rộng
6cm.
Hình 1.10. Mẫu động cơ IW L1500 của Elaphe.
Cấu hình thay thế động cơ trong ảnh 1.11.
Hình 1.11. Lắp đặt động cơ IW vào trong bánh xe của xe Audi R8.
9
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện
Việc cài đặt trong xe Audi R8 thậm chí còn chưa được điều chỉnh hoàn toàn
nhưng đã đặt ra hiệu xuất ấn tượng so với phiên bản gốc. So sánh với mẫu R8 e-
tron của Audi, vốn đã đạt 0-100km/h trong 3.9 giây. Phiên bản của Elaphe đã đạt
được 0-100km/h chỉ trong 3.5 giây.
Cấu trúc điều khiển năng lượng của cho 4 động cơ IW trong hình 1.12. Bốn
động cơ IW được điều khiển bằng bốn Inverter.
Hình 1.12. Bộ điều khiển cho các động cơ trong bánh xe.
1.3.2. Phương pháp điều khiển hệ truyền động.
Hai phương pháp điều khiển hệ truyền động thường được sử dụng là DTC
và FOC.
- DTC: là phương pháp điều khiển trực tiếp momen xoắn của động cơ.
Tư tưởng của phương pháp là tạo xung kích thích van trực tiếp dựa trên
sai lệch từ thông Stator và sai lệch momen quay. DTC sử dụng dải trễ
để điều khiển trực tiếp từ thông và momen của máy điện. Khi từ thông
Stator ở ngoài dải trễ, vector chuyển mạch sẽ thay đổi để từ thông đạt
theo giá trị đặt.
- FOC: là phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor. Nguyên lý điều
khiển dựa theo phương pháp phân tách phi tuyến được sử dụng trong
điều khiển các hệ thống phi tuyến. Bản chất của phương pháp này là
điều khiển các biến đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0. Như vậy, mô
10